Iniziamo a scoprire il Grafene

Il Grafene è l’ultimo e più tecnologico dei materiali impiegati in diversi settori, tra cui anche la bioedilizia con la domotica. Un materiale estremamente sottile e resistente, che promette faville nonché grande riscontro, e che vedremo tra pochissimo tempo diffuso in tutti gli oggetti di nuova costruzione.

Il materiale delle meraviglie

In questo articolo vogliamo parlarvi del Grafene, definito il materiale delle meraviglie, e vogliamo concentrarci sulla sua produzione, su dove può venire applicato e anche sul prezzo di quello che è il materiale costruttivo più sottile del mondo, in grafo di ben condizionare diversi settori.

Il Grafene è infatti nato con lo scopo di migliorare l’impatto della tecnologia nella robotica, nella scienza e nella nostra guida quotidiana. Ma, esattamente, di che cosa si tratta?

L’isolamento e lo studio di questo materiale ha avuto inizio nel 2004 con Andre Geim e Konstantin Novoselov, entrambi vincitori del Nobel per la Fisica nel 2010 proprio in seguito ai loro fruttuosi studi sulla molecola del grafene.

Questo materiale viene ottenuto mediante il trattamento del grafite – minerale non dissimile dal carbonio – con due acidi, quello solforico e quello nitrico. Il grafene è quindi costituito da una parte estremamente sottile di carbonio – si parla sempre di atomi – unito in una struttura a nido d’ape. Il risultato è un materiale ancora più sottile della carta.

Il grafene eredita tutte le caratteristiche tipiche del carbonio e del grafite, implementandone altre. Risulta quindi un materiale resistente al calore, versatile, capace di condurre l’elettricità, tutte cose che lo rendono facilmente sostituibile sia al silicio che soprattutto alla plastica.

Ancora, il grafene è trasparente, impermeabile, 200 volte più resistente dell’acciaio quindi in grado di permettere la realizzazione di prodotti a lunga durata. Visto che è un materiale fatto da uno strato monoatomico, su di esso vertono tutti gli studi delle prossime nanotecnologie.

L’anno scorso, al Mobile World Congress di Barcellona – fiera annuale della tecnologia mobile – il grafene aveva addirittura un padiglione riservato in cui sono stati mostrati ai partecipanti 25 prototipi di prodotti elettronici fatti proprio con il grafene, e tra essi non mancavano lo smartphone, i dispositivi indossabili e la domotica.

Questo padiglione e questi prototipi hanno dimostrato come l’applicazione del grafene comporti una lunga serie di vantaggi. Infatti con questo nuovo materiale è possibile produrre anche delle batterie, batterie al grafene che aumentano l’autonomia di uno smartphone di giorni, completando la carica in pochi minuti o addirittura in pochi secondi.

Verrà quindi spontaneo chiedersi quanto costi il grafene. Purtroppo, come tutte le novità, il prezzo è molto alto. Infatti visto l’interesse crescente che ne fa per ora un materiale “di lusso” e di difficile reperibilità, il grafene costa anche 60 volte tanto gli attuali materiali impiegati in questo settore (plastica, acciaio, silicio) e che sono più impattanti sull’ambiente.

Ma bisogna avere pazienza: gli investimenti e le ricerche su una produzione sostenibile anche economicamente di grafene permetteranno una maggiore accessibilità. E poi bisogna sempre considerare la sostenibilità nel tempo, che quindi abbatte l’eccessiva spesa di risorse in favore di dispositivi e nuove tecnologie fatte interamente o in gran parte con questo materiale.

Come si produce il grafene e dove si applica

Il grafene viene prodotto in due modalità principali: esfoliazione meccanica ed esfoliazione liquida. Nel primo caso, viene applicata alla superficie di grafite una forza altamente orientata, capace di staccare e stendere tutti gli strati cristallini della struttura per ricavare quello necessario.

L’esfoliazione liquida, invece, va a sfruttare le forze di pressione in un liquido per riuscire ad avere la separazione dei cristalli e ottenere lo strato desiderato. Si tratta del metodo più impiegato, che però necessita ancora di miglioramento.

Oltre a questi ci sono altri modi di produrre il grafene, anche se meno impiegati. Parliamo di ossidoriduzione della grafite, crescita epitassiale su substrati metallici, crescita da fusione di carbonio e metallo, crescita epitassiale su carburo di silicio.

E ancora pirolisi dell’etossido di sodio, riduzione del diossido di carbonio e pirolisi da nanotubi di carbonio.

Quanto detto finora va inserito in una stima che vede entro il 2020 un mercato di grafene globale del valore di $675 milioni, e che verrà il materiale applicato oltre all’elettronica e all’energia, anche alla medicina e all’aeronautica e altri settori.

Come detto, l’interesse per il grafene è in costante crescita e ha posto riflessioni anche a livello di economia e strategia. La Commissione Europea 6 anni fa, nel 2013, ha infatti lanciato Graphene Flagship, un programma di ricerca tra i più grandi nel nostro continente che ha l’obiettivo di applicare il grafene nella vita quotidiana in 10 anni.

Un’applicazione sicuramente importante, che comporterebbe numerose conseguenze positive per la sostenibilità ambientale, per la creazione di nuove tecnologie, nuove aziende e nuovi posti di lavoro. Infatti, questo enorme programma di ricerca coinvolge 150 partner tra imprese ed accademie, e raggiunge il valore di 1 miliardo di euro.

Numerose sono anche le realtà italiane che collaborano nel programma, tra le quali spicca anche Leonardo, un’azienda specializzata in sistemi di aviazione e sistemi spaziali. Dice Marco Molina, parte della Divisione Sistemi Avionici e Spaziali dell’azienda che la ricerca di grafene in Leonardo funge da esempio di open innovation, per merito una fitta rete di accordi e collaborazioni, il quale ha accesso ai laboratori più avanzati italiani ed europei.

Leonardo lavora con ingegneri, chimici e fisici, i quali collaborano con quei laboratori italiani e non in cui viene fatta la sintesi chimica del grafene, come il CNR e l’Istituto Italiano di Tecnologia.

E del resto lo stesso programma Graphene Flagship è uno dei maggiori progetti dell’azienda. Con la partecipazione al programma di ricerca, Leonardo nel 2017 ha potuto verificare e provare il grafene e il suo comportamento nella microgravità, collaborando con il CNR, con l’Universitè Libre de Bruxelles e il Graphene Center di Cambridge University.

Il grafene è infatti studiato anche come materiale per il volo spaziale, componente di un sistema di raffreddamento dei satelliti noto come loop heat pipe (per via dell’alta resistenza termica propria del materiale). Sembra proprio che la futura esplorazione dello spazio vedrà il grafene come protagonista.

Il grafene nella scienza

Nel settore scientifico, applicare il grafene significa poter intervenire su sistemi multifunzionali sia per diagnosi che per prevenzione. Sempre Molina ha spiegato che un circuito elettronico ha la possibilità di essere stampato con dell’inchiostro al grafene sia su strutture rigide che flessibili, tessuti e fogli di carta compresi.

In questo modo diventerebbero da un lato un sensore e dall’altro uno schermo in grado di riprodurre l’immagine riconosciuta dal sensore. Stessa cosa per le strutture aerospaziali, che così possono diventare smart, capire da sole la loro temperatura e lo stato di sollecitazione meccanica nonché di usura, e questo è un evidente vantaggio per la manutenzione preventiva.

Il grafene può essere usato anche nella robotica, per la realizzazione di arti superiori e inferiori decisamente più resistenti rispetto a quanto accade ora. Si possono infatti fare sensori nervosi artificiali su stradi di grafene nella parte amputata di un arto, in modo che la persona possa continuare a percepire e poi a rispondere a contrazioni e altre azioni del muscolo.